一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，所述空中交通管制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)通信模塊、機載終端模塊、管制終端模塊；管制終端模塊包括實時飛行沖突監(jiān)控與告警、飛行沖突解脫4D航跡優(yōu)化這2個子模塊；上述系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，通過空中交通控制中心直接獲得各航空器在未來時段內(nèi)的航空器4D軌跡，實現(xiàn)空域交通狀況潛在的交通沖突的分析，以及采用模型預(yù)測控制理論方法提供最優(yōu)解脫方案。本發(fā)明可有效防止飛行沖突，提高空中交通的安全性。
【專利說明】一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種空中交通管制系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種基于4D航跡運行的空 中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球航空運輸業(yè)快速發(fā)展與空域資源有限矛盾的日益突出，在空中交通流密 集的復(fù)雜空域，仍然采用飛行計劃結(jié)合間隔調(diào)配的空中交通管理方式逐漸顯示出其落后 性，具體表現(xiàn)在：（1)飛行計劃并未為航空器配置精確的空管間隔，容易造成交通流戰(zhàn)術(shù)管 理中的擁擠，降低空域安全性；(2)以飛行計劃為中心的空管自動化系統(tǒng)對飛行剖面的推 算和航跡預(yù)測精度差，造成沖突化解能力差；(3)空中交通管制工作仍然側(cè)重于保持單個 航空器之間的安全間隔，很難上升到對交通流進行戰(zhàn)略性管理。
[0003] 4D航跡是以空間和時間形式，對某一航空器航跡中的各點空間位置（經(jīng)度、緯度 和高度）和時間的精確描述，基于航跡的運行是指在4D航跡的航路點上使用"控制到達(dá) 時間"，即控制航空器通過特定航路點的"時間窗"。在高密度空域把基于4D航跡的運行 (TrajectorybasedOperation)作為基本運行機制之一，是未來對大流量、高密度、小間隔 條件下空域?qū)嵤┕芾淼囊环N有效手段，可以顯著地減少航空器航跡的不確定性，提高空域 和機場資源的安全性與利用率。
[0004] 基于航跡運行的空中交通運行方式需要在戰(zhàn)略層面上對單航空器飛行航跡進行 推算和優(yōu)化，對多航空器構(gòu)成的交通流實施協(xié)同和調(diào)整；在預(yù)戰(zhàn)術(shù)層面上通過修正交通流 中個別航空器的航跡以解決擁塞問題，并保證該交通流中所有航空器的運行效率；而在戰(zhàn) 術(shù)層面上預(yù)測沖突和優(yōu)化解脫方案，將航空器間隔管理從固定的人工方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]航空 器性能、管制規(guī)則和環(huán)境等因素在內(nèi)的可變的間隔控制方式，因此面向4D航跡的運行對空 中交通管制提出了新的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于4D航跡運 行的空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，可有效防止飛行沖突，提高空中交通的安全 性。
[0006] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法， 所述空中交通管制系統(tǒng)包括機載終端模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及管制終端模塊；
[0007] 所述管制終端模塊包括以下子模塊：
[0008] 實時飛行沖突監(jiān)控與告警模塊，用于建立從航空器的連續(xù)動態(tài)到離散沖突邏輯的 觀測器，將空中交通系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)映射為離散觀測值表達(dá)的沖突狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)有可能違 反空中交通管制規(guī)則時，對空中交通混雜系統(tǒng)的混雜動態(tài)行為實施監(jiān)控，為管制員提供及 時的告警信息；
[0009] 飛行沖突解脫4D航跡優(yōu)化模塊，在保證系統(tǒng)滿足航空器性能和管制規(guī)則約束條 件下，通過選擇不同的解脫目標(biāo)函數(shù)，采用模型預(yù)測控制理論方法，計算航空器沖突解脫4D航跡；并通過數(shù)據(jù)通信模塊將航空器沖突解脫4D航跡發(fā)送給機載終端模塊執(zhí)行；
[0010] 所述空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法包括如下幾個步驟：
[0011] 步驟A、通過空中交通控制中心直接獲得其在每一采樣時刻推測的各航空器在未 來時段內(nèi)的航空器4D軌跡，空中交通控制中心通過空管雷達(dá)監(jiān)視數(shù)據(jù)與自動相關(guān)監(jiān)視數(shù) 據(jù)的融合推測未來時段內(nèi)航空器的4D軌跡；
[0012] 步驟B、實時飛行沖突監(jiān)控與告警模塊建立從航空器的連續(xù)動態(tài)到離散沖突邏輯 的觀測器，將空中交通系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)映射為離散觀測值表達(dá)的沖突狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)有可能 違反空中交通管制規(guī)則時，對空中交通混雜系統(tǒng)的混雜動態(tài)行為實施監(jiān)控，為管制員提供 及時的告警信息；
[0013] 步驟C、飛行沖突解脫4D航跡優(yōu)化模塊在保證系統(tǒng)滿足航空器性能和管制規(guī)則約 束條件下，通過選擇不同的解脫目標(biāo)函數(shù)，采用模型預(yù)測控制理論方法，計算航空器沖突解 脫4D航跡；并通過數(shù)據(jù)通信模塊將航空器沖突解脫4D航跡發(fā)送給機載終端模塊執(zhí)行；
[0014] 步驟D、機載終端模塊接收并執(zhí)行管制終端模塊發(fā)布的4D航跡數(shù)據(jù)。
[0015] 進一步的，所述步驟C的具體實施過程如下：
[0016] 步驟C1、對飛行沖突解脫過程建模：將沖突解脫航跡視為連續(xù)的三段光滑曲線， 給定解脫航跡的起點和終點，依據(jù)航跡限制條件，建立包含加速度、爬升或下降率、轉(zhuǎn)彎率 的多變量最優(yōu)沖突解脫模型；
[0017] 步驟C2、對不同飛行條件下沖突解脫變量約束建模：其中t時刻需實施沖突解脫 航空器讓的變量約束可描述為叫(1：)彡311、(〇 15(1：)彡（〇1(1、￥15(1：)彡^311、(〇 1(1、^分別為 最大的加速度、轉(zhuǎn)彎率和爬升或下降率；
[0018] 步驟C3、設(shè)定航空器避撞規(guī)劃的終止參考點位置P、避撞規(guī)劃控制時域O、軌跡預(yù) 測時域T;
[0019] 步驟C4、在每一采樣時刻，基于航空器當(dāng)前的運行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取 空域風(fēng)場變量的數(shù)值；
[0020] 步驟C5、設(shè)定在給定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)的前提下，基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，通過 給各個航空器賦予不同的權(quán)重以及融入實時風(fēng)場變量濾波數(shù)值，得到各個航空器的避撞軌 跡和避撞控制策略且各航空器在滾動規(guī)劃間隔內(nèi)僅實施其第一個優(yōu)化控制策略；
[0021] 步驟C6、在下一采樣時刻，重復(fù)步驟C4至C5直至各航空器均到達(dá)其解脫終點。
[0022] 更進一步的，步驟C3中：終止參考點位置P即為航空器的下一個航路點，避撞規(guī)劃 控制時域〇為300秒，軌跡預(yù)測時域T為300秒；
[0023] 步驟C4的具體過程如下：
[0024]C4. 1)設(shè)定航空器的?？课恢脼檐壽E參考坐標(biāo)原點；
[0025]C4. 2)在航空器處于直線運行狀態(tài)和勻速轉(zhuǎn)彎運行狀態(tài)時，構(gòu)建空域風(fēng)場線性濾 波模型乂(^+^1:)=?(1:)1(1:)+￥(1:)和2(1:)=!1(1:)1(1:)+￥(1:)獲取風(fēng)場變量數(shù)值，其中八七 表示采樣間隔，x(t)表示t時刻的狀態(tài)向量，z(t)表示t時刻的觀測向量，F(xiàn)(t)和H(t)分 別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統(tǒng)噪聲向量和測量噪聲向 量；在航空器處于變速轉(zhuǎn)彎運行狀態(tài)時，構(gòu)建空域風(fēng)場非線性濾波模型
[0026] X(t+Δt) =Ψ(t,X(t)，u(t))+w(t)、z(t) =Ω(t,X(t))+V(t)和u(t)=
[c0a(t),Ya(t)]T,
[0027] 其中Ψ( ·)和Ω( ·)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，c〇a(t)和Ya(t) 分別表示轉(zhuǎn)彎率和加速率；
[0028] C4. 3)根據(jù)所構(gòu)建的濾波模型獲取風(fēng)場變量的數(shù)值；
[0029] 步驟C5的具體過程如下：令
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，所述空中交通管制系統(tǒng)包括機載終端 模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及管制終端模塊；其特征在于： 所述管制終端模塊包括以下子模塊： 實時飛行沖突監(jiān)控與告警模塊，用于建立從航空器的連續(xù)動態(tài)到離散沖突邏輯的觀測 器，將空中交通系統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)映射為離散觀測值表達(dá)的沖突狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)有可能違反空 中交通管制規(guī)則時，對空中交通混雜系統(tǒng)的混雜動態(tài)行為實施監(jiān)控，為管制員提供及時的 告警信息； 飛行沖突解脫4D航跡優(yōu)化模塊，在保證系統(tǒng)滿足航空器性能和管制規(guī)則約束條件下， 通過選擇不同的解脫目標(biāo)函數(shù)，采用模型預(yù)測控制理論方法，計算航空器沖突解脫4D航 跡；并通過數(shù)據(jù)通信模塊將航空器沖突解脫4D航跡發(fā)送給機載終端模塊執(zhí)行； 所述空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法包括如下幾個步驟： 步驟A、通過空中交通控制中心直接獲得空中交通控制中心在每一采樣時刻推測的各 航空器在未來時段內(nèi)的航空器4D軌跡； 步驟B、實時飛行沖突監(jiān)控與告警模塊根據(jù)步驟A獲得的各航空器在未來時段內(nèi)的航 空器4D軌跡建立從航空器的連續(xù)動態(tài)到離散沖突邏輯的觀測器，將空中交通系統(tǒng)的連續(xù) 動態(tài)映射為離散觀測值表達(dá)的沖突狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)有可能違反空中交通管制規(guī)則時，對空中 交通混雜系統(tǒng)的混雜動態(tài)行為實施監(jiān)控，為管制員提供及時的告警信息； 步驟C、飛行沖突解脫4D航跡優(yōu)化模塊在保證系統(tǒng)滿足航空器性能和管制規(guī)則約束條 件下，通過選擇不同的解脫目標(biāo)函數(shù)，采用模型預(yù)測控制理論方法，計算航空器沖突解脫4D 航跡；并通過數(shù)據(jù)通信模塊將航空器沖突解脫4D航跡發(fā)送給機載終端模塊執(zhí)行；其具體實 施過程如下： 步驟C1、對飛行沖突解脫過程建模：將沖突解脫航跡視為連續(xù)的三段光滑曲線，給定 解脫航跡的起點和終點，依據(jù)航跡限制條件，建立包含加速度、爬升或下降率、轉(zhuǎn)彎率的多 變量最優(yōu)沖突解脫模型； 步驟C2、對不同飛行條件下沖突解脫變量約束建模：其中t時刻需實施沖突解脫航空 器讓的變量約束可描述為叫(1：)彡311、(〇15(1：)彡（〇1(1、￥ 15(1：)彡￥11，311、(〇1(1、^分別為最大 的加速度、轉(zhuǎn)彎率和爬升或下降率； 步驟C3、設(shè)定航空器避撞規(guī)劃的終止參考點位置P、避撞規(guī)劃控制時域?、軌跡預(yù)測時 域Y; 步驟C4、在每一采樣時刻t，基于航空器當(dāng)前的運行狀態(tài)和歷史位置觀察序列，獲取空 域風(fēng)場變量的數(shù)值； 步驟C5、設(shè)定在給定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)的前提下，基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，通過給各 個航空器賦予不同的權(quán)重以及融入實時風(fēng)場變量濾波數(shù)值，得到各個航空器的避撞軌跡和 避撞控制策略且各航空器在滾動規(guī)劃間隔內(nèi)僅實施其第一個優(yōu)化控制策略； 步驟C6、在下一采樣時刻，重復(fù)步驟C4至C5直至各航空器均到達(dá)其解脫終點； 步驟D、機載終端模塊接收并執(zhí)行管制終端模塊發(fā)布的4D航跡數(shù)據(jù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，其特征在于： 步驟C3中：終止參考點位置P即為航空器的下一個航路點,避撞規(guī)劃控制時域?為300秒， 軌跡預(yù)測時域Y為300秒； 步驟C4的具體過程如下： C4. 1)設(shè)定航空器的?？课恢脼檐壽E參考坐標(biāo)原點； C4. 2)在航空器處于直線運行狀態(tài)和勻速轉(zhuǎn)彎運行狀態(tài)時，構(gòu)建空域風(fēng)場線性濾波模 型x(t+At) =F(t)x(t)+w(t)和z(t) =H(t)x(t)+v(t)獲取風(fēng)場變量數(shù)值，其中At表 示采樣間隔，x(t)表示t時刻的狀態(tài)向量，z(t)表示t時刻的觀測向量，F(xiàn)(t)和H(t)分別 表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，w(t)和v(t)分別表示系統(tǒng)噪聲向量和測量噪聲向量； 在航空器處于變速轉(zhuǎn)彎運行狀態(tài)時，構(gòu)建空域風(fēng)場非線性濾波模型 X(t+At) = 1Ij (t,X(t),u(t))+w(t) >z(t) =Q(t,X(t))+V⑴和u(t) = [coa(t), ya(t)]T, 其中#(?)和Q(?)分別表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸出測量矩陣，c〇a(t)和Ya(t)分別 表示轉(zhuǎn)彎率和加速率； C4. 3)根據(jù)所構(gòu)建的濾波模型獲取風(fēng)場變量的數(shù)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，其特征在 于：步驟C5的具體過程如下：令 4 =|尸(0-尸'I: =(?-1/). +(u/|， 其中式表示t時刻航空器i當(dāng)前所在位置pjt)和下一航路點if間的距離的平方，Pi (t) = (xit，yit)，ify/)，那么t時刻航空器i的優(yōu)先級指數(shù)可設(shè)定為：
其中nt表示t時刻空域內(nèi)存在沖突的航空器數(shù)目，由優(yōu)先級指數(shù)的含義可知，航空器 距離其下一航路點越近，其優(yōu)先級越高； 設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)
其中iGI(t)表示航空器代碼且I(t) = {1，2,. . .，nt}，Pi (t+sAt)表示航空器在時 刻（t+sAt)的位置向量，表示航空器i的下一航路點，Ui表示待優(yōu)化的航空器i的最 優(yōu)控制序列，Qit為正定對角矩陣，其對角元素為航空器i在t時刻的優(yōu)先級指數(shù)Lit，并且
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的一種空中交通管制系統(tǒng)的飛行沖突解脫方法，其特 征在于：所述步驟B的具體實施過程如下： 步驟B1、構(gòu)造基于管制規(guī)則的沖突超曲面函數(shù)集：建立超曲面函數(shù)集用以反映系統(tǒng)的 沖突狀況，其中，沖突超曲面中與單一航空器相關(guān)的連續(xù)函數(shù)為第I型超曲面， 與兩架航空器相關(guān)的連續(xù)函數(shù)& :YXY4R為第II型超曲面； 步驟B2、建立由航空器連續(xù)狀態(tài)至離散沖突狀態(tài)的觀測器：需要根據(jù)管制規(guī)范建立觀 測器，觀測系統(tǒng)系統(tǒng)穿越超曲面而產(chǎn)生的沖突事件，以便控制器做出相應(yīng)的控制決策指令； 觀測器€用于觀測系統(tǒng)中航空器位置的連續(xù)變化而產(chǎn)生沖突事件，稱4 :IBS為第I型 觀測器，《：4 為第II型觀測器； 步驟B3、設(shè)計從沖突到?jīng)_突解脫手段的離散監(jiān)控器，該離散監(jiān)控器可描述為函數(shù) 廣SHD，其中S是觀測器觀測向量展成的空間，D是所有決策向量d展成的空間；當(dāng)觀測 器的離散觀測向量表明某一非期望的狀態(tài)出現(xiàn)時，立刻發(fā)出相應(yīng)的告警。
【文檔編號】G08G5/04GK104504941SQ201510007755
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月7日
【發(fā)明者】韓云祥, 趙景波, 李廣軍 申請人:江蘇理工學(xué)院